氧傳感器與燃油閉環(huán)控制

開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制時(shí)ECU并不知曉執(zhí)行器執(zhí)行指令后的實(shí)際效果；而閉環(huán)控制時(shí)ECU通過傳感器監(jiān)測指令執(zhí)行后某一個(gè)特定參數(shù)的變化，并將該參數(shù)的實(shí)測值與設(shè)定值對比，在兩者不一致時(shí)調(diào)整指令使之達(dá)到一致。開環(huán)與閉環(huán)最根本區(qū)別：有無反饋調(diào)節(jié)凡閉環(huán)控制，必有一個(gè)控制對象，即控制參數(shù)；還有一個(gè)控制目標(biāo)，即控制參數(shù)的設(shè)定值。λ閉故環(huán)控制的控制參數(shù)就是燃油與空氣溫合氣的過量空氣系數(shù)λ。λ=燃燒1kg燃料實(shí)際所供給的空氣質(zhì)量/完全燃燒1kg燃料所需的理論空氣質(zhì)量?？刂颇繕?biāo)是λ=1附近的一個(gè)小范圍。系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制0.452.閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)范圍與激活條件汽油機(jī)排放的有害污染物主要是HC、CO和NOx。目前汽油機(jī)排放污染物治理段中最重要的是利用三效催化轉(zhuǎn)化器凈化。凈化后的廢氣有害物質(zhì)的濃度與過量空氣系數(shù)λ密切相關(guān)。隨著λ的增大，凈化后殘余的HC和CO濃度降低，但NOx濃度上升。只是在λ為0.99～1.00的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)才能使三種有害物質(zhì)同時(shí)得到最大限度的凈化。這就是λ環(huán)控制的調(diào)節(jié)范圍。開環(huán)：（1）氧傳感器的工作溫度（2）急加速中高負(fù)荷（3）快怠速（4）強(qiáng)制怠速（5）水溫沒達(dá)到正常水溫（6）氧傳感器損壞閉環(huán)：只有在怠速和部分負(fù)荷工況范圍，而且結(jié)束暖機(jī)以后，才能激活λ閉環(huán)控制。3.氧傳感器氧傳感器是一種用來檢測某設(shè)備排氣中氧的濃度，并向ECU發(fā)出反饋信號，再由ECU控制噴油器噴油量的增減，從而將混合氣的空燃比控制在理論值附近的傳感器。氧傳感器用于測定廢氣中的過量空氣系數(shù)λ。目前普遍使用的氧傳感器只能判斷是λ＞1，還是λ＜1，卻無法測定λ的具體數(shù)值。λ=1意味著充分燃燒后燃油與空氣均無過剩；λ＞1則氧過剩，混合氣過??；λ＜1則氧不足，混合氣過濃。λ由混合氣中各種原子數(shù)量的比例決定。燃燒過程不改變這個(gè)比例，故從廢氣中測定的λ，不論燃燒是否完全，都與未燃時(shí)在混合氣中測定的λ一樣。3.1.1管式氧傳感器氧傳感器的結(jié)構(gòu)：氧化鈦和氧化鋯下面以氧化鋯型為例介紹：1.二氧化鋯型：是具有傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)，在氧分子濃度差的作用下產(chǎn)生電動勢。即帶固態(tài)電解質(zhì)的氧濃度原電池。其核心元件是用二氧化鋯制成的傳感陶瓷管1。傳感陶瓷管不透氣，用氧化銥作過穩(wěn)定化處理。傳感陶瓷管的內(nèi)外表內(nèi)部涂有一薄層透氣的多孔鉑，它一方面因其催化作用而影響著傳感器輸出特性；另一方面由于電接觸，構(gòu)成兩個(gè)電極2。傳感陶瓷管突入排氣氣流中，所以在它外表面的鉑涂層上再涂一層高孔隙度的陶瓷保護(hù)層6。這層加固層防止了鉑催化層遭受廢氣中沉積物的腐蝕和侵蝕，確保了傳感器的長期穩(wěn)定性。傳感陶瓷管的內(nèi)表面與新鮮空氣相通，外表面被廢所包圍，兩邊的氧濃度度相差懸殊。但汽油機(jī)廢氣中總是存在殘余氧的，即使在燃油過剩的情況下也不例外。例如λ=0.95％時(shí)殘余氧達(dá)到約0.1％～0.3％的體積百分比。多孔鉑電極的催化作用使得廢氣中的CO、HC和H2在電極表面上同殘余氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使之趨向理論當(dāng)量的平衡，以致殘余氧的最終濃度跟燃燒完全與否無關(guān)。而僅僅取決于λ。3.1.2氧傳感器壓電特性信號電壓的高低取決于傳感陶瓷管內(nèi)外表面之間氧濃度之差，即取決于外表面上廢氣經(jīng)完全催化處理之后殘余氧的濃度，而殘余氧濃度又是廢氣λ值的函數(shù)。從λ＞1的稀混合氣（高殘余氧）過渡到λ＜1的濃混合氣（極低殘余氧），則殘余氧濃度突變達(dá)10的幾次方冪倍。所以在λ=1附近信號電壓突變，λ＜1時(shí)為800~1000mV,λ＞1時(shí)小于100mV．λ=1時(shí)為450～500mV。氧傳感器應(yīng)裝在任何工況下都能達(dá)到其工作溫度的地方，因?yàn)檠鮽鞲衅鞯墓ぷ魈匦耘c溫度密切相關(guān)。溫度強(qiáng)烈地影響著傳感陶瓷管對氧離子的導(dǎo)通能力。一方面當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，輸出電壓低于上述數(shù)據(jù)和曲線，而低于350℃時(shí)幾乎沒有信號；另一方面，輸出電壓對于過量空氣系數(shù)變化的響應(yīng)時(shí)間也與溫度有關(guān)。例如：當(dāng)傳感陶瓷管溫度為350℃時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為幾秒鐘；而當(dāng)傳感陶瓷管溫度為600℃時(shí)，響應(yīng)時(shí)間小于50ms。所以在發(fā)動機(jī)起動后直到大約350℃的最低運(yùn)行溫度的一段時(shí)間內(nèi)，λ閉環(huán)控制是截止的。氧傳感器的內(nèi)阻也與溫度有關(guān)。3.2不加熱的管式氧傳感器(1)如圖所示，傳感陶瓷管7借助于“指狀”的陶瓷支承管3和碟形彈簧2固定在傳感器殼體6上并密封。(2)在支承管和傳感陶瓷管之間的接觸元件5用于提供內(nèi)電極和連接電纜1之間的接觸。(3)外電極通過金屬密封環(huán)與傳感器殼體連接。傳感器內(nèi)的各種零件都由金屬護(hù)套4固定和對中。(4)護(hù)套除了支承碟形彈簧以外，還保護(hù)傳感器內(nèi)部不被污染。(5)連接電纜夾緊在伸出傳感器的連接元件的末端，并用耐高溫的PTFE帽蓋密封以防潮氣和機(jī)械損傷。(6)為了防止廢氣中的燃燒沉積物落在傳感陶瓷管上,在凸入股氣氣流中的傳感器殼體的末端裝有護(hù)管8，護(hù)管上開有孔隙，可讓廢氣通過，同時(shí)卻有效地防止了廢氣中固態(tài)物質(zhì)的機(jī)械撞擊和變工況時(shí)的熱沖擊。(7)傳感器殼體上有螺紋供安裝用。3.3加熱的管式氧傳感器結(jié)構(gòu)與不加熱的氧傳感器類似主要差別在于，加熱的管式氧傳感器的傳感陶瓷管，內(nèi)部出一根陶瓷加熱元件6加熱，通電后30s便達(dá)工作溫度。因此傳感陶瓷管即使在負(fù)荷低、廢氣溫度較低時(shí)也有超過350℃的溫度，可以照常發(fā)揮功能。負(fù)荷高時(shí)由廢氣溫度決定陶瓷管溫度。陶瓷加熱元件系正溫度系數(shù)（PTC）電阻，溫度較低時(shí)電阻很小，發(fā)熱功率很大，加熱很快。加熱后電阻升高，功率不大。加熱的管式氧傳感器的護(hù)管10上的廢氣流通孔比較細(xì)小，因此減少了傳感陶瓷管在廢氣溫度較低時(shí)所遭受的冷卻作用。加熱氧傳感器的優(yōu)點(diǎn)：(1)管式氧傳感器的加熱，將發(fā)動機(jī)從起動直到閉環(huán)控制投入運(yùn)行所經(jīng)歷的時(shí)間縮短到20~30s，確保了廢氣溫度較低（如怠速）時(shí)的閉環(huán)控制運(yùn)行。(2)加熱的管式氧傳感器對λ變動的響應(yīng)時(shí)間較短，因此有利于提高閉環(huán)控制速度。(3)加熱的管式氧傳感器可以安裝在離發(fā)動機(jī)相對較遠(yuǎn)的地點(diǎn)，因而長期全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氧傳感器也不會因過熱而出問題。(4)加熱的管式氧傳感器始終具有最佳的工作溫度，可實(shí)現(xiàn)較低的和穩(wěn)定的廢氣排放。3.4片式氧傳感器前述的兩種氧傳感器的傳感元件都是管狀的（傳感陶瓷管）。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了加熱元件集成于片狀傳感元件的氧傳感器。從功能上說，這種傳感器的電壓特性也在λ=1發(fā)生階躍，與加熱的管式氧傳感器沒有區(qū)別。但它同時(shí)提供了下一代陶瓷傳感器的基本工藝。這種傳感器的特點(diǎn)在于：①采用片狀傳感元件3代替管狀傳感元件；②傳感元件借助于陶瓷密封填料6固定在傳感器殼體5上；③雙壁式護(hù)管7高度有效地保護(hù)傳感元件免受過度的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。3.4.1片式傳感元件片狀傳感元件采用陶瓷傳感薄膜3作為固態(tài)電解質(zhì)。采用篩網(wǎng)-印刷技術(shù)形成各個(gè)功能層（內(nèi)、外電極4和2，多孔保護(hù)層1）印刷薄膜一層接一層疊在一起，利用這種辦法使加熱元件集成于傳感元件內(nèi)。片式氧傳感器尺寸小、重量輕、耗熱功率小、加熱速度快，建立λ閉環(huán)控制所需時(shí)間短，控制特性穩(wěn)定。片式氧傳感器采用單獨(dú)的接地。3.5.片式寬帶氧傳感器（線性氧傳感器）片式寬帶氧傳感器是一種片式雙電池限電流傳感器。如圖所示，它的模塊式結(jié)構(gòu)與成片技術(shù)相結(jié)合，使得有可能集多種功能于一體。該傳感器的輸出電流在λ=1處改變方向，且與λ幾乎成線性關(guān)系，故又稱線性氧傳感器，但其斜率以λ=1為界取不同數(shù)值。當(dāng)有電壓加在固體電解質(zhì)ZrO2

上時(shí)，O2

會在內(nèi)電極上得到電子形成O2-，O2-通過ZrO2

的傳遞作用，在外電極上放電，O2-又變成O2，這樣氧就通過固體電解質(zhì)被從電極的陰極泵到陽極，通常稱此電池為泵氧電池，外加電壓為泵電壓，產(chǎn)生電流為泵電流。泵氧過程中，外加泵電壓的增加所導(dǎo)致的泵電流的增加會逐漸減小，最后出現(xiàn)泵電流在一定的電壓范圍內(nèi)不變或變化很小的現(xiàn)象，電流達(dá)到飽和，這個(gè)電流被稱為極限電流。工作原理圖：為了得到與環(huán)境氣氛中氧氣濃度有關(guān)，且比較穩(wěn)定的極限電流，一般在氧化鋯氧傳感器的陰極表面加一個(gè)多孔擴(kuò)散障礙層，限制氧氣向陰極的傳輸。則氧氣通過障礙層的擴(kuò)散將成為泵氧電流的控制環(huán)節(jié)，當(dāng)電壓增大超過某一數(shù)值時(shí)，電流將不再隨之增大而達(dá)到極限，該極限電流的大小與繼續(xù)增加的電壓無關(guān)，而取決于氧向小室的擴(kuò)散速率，并與被測環(huán)境中的氧分壓呈正比。3.5.1片式寬帶氧傳感器優(yōu)點(diǎn)（1）片式寬帶氧傳感器是Nerst濃度電池（傳感電池）和用于氧離子輸送的泵電池的一種結(jié)合,所以它不僅能判定λ大于1還是小于1，而且能在稀的和濃的區(qū)域測定λ的具體數(shù)值。每個(gè)傳感器要單獨(dú)進(jìn)行標(biāo)定。（2）這種傳感器要求專門的電子控制裝置，不僅要求用于產(chǎn)生傳感器信號的泵電池和傳感電池的電子控制裝置，還要求控制傳感器溫度的電子控制裝置。（3）這種傳感器有一些十分可貴的用途，除了上述的可實(shí)現(xiàn)從λ＜1到λ＞1連續(xù)控制以外，還能用于稀薄燃燒汽油機(jī)、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和柴油機(jī)。四．λ閉環(huán)控制4.1λ閉環(huán)控制回路λ閉環(huán)控制的目的是提高三效催化轉(zhuǎn)化器對廢氣的凈化效率。在三效催化轉(zhuǎn)化器4的前后各裝一個(gè)氧傳感器，其中裝在前面的3a是必不可少的，裝在后面的3b只在在某些系統(tǒng)中出現(xiàn)。電子控制單元6從空氣流量傳感器1接受負(fù)荷信息，從其他傳感器接收轉(zhuǎn)運(yùn)等信息，算出基本噴油量，并根據(jù)氧傳感器關(guān)于λ的信息確定λ修正系數(shù)，去乘基本噴油量，使λ保持在λ=0.99~1.00一個(gè)很窄的范圍內(nèi)波動。程序中設(shè)有一個(gè)電壓門檻值，通常在450mV左右。氧傳感器電壓高于此值，則混合氣過濃，應(yīng)減小λ修正系數(shù)以減少噴油量；低于此值，則混合氣過稀，應(yīng)增大λ修正系數(shù)以增加噴油量。4.2λ信號的時(shí)間滯后(死時(shí)間)從噴油器噴油生成混合氣開始，到氧傳感器測得這部分混合氣的λ為止，存在一定的反應(yīng)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間影響著閉環(huán)控制的振蕩周期。這段時(shí)間稱為死時(shí)間，由以下四部分組成：（1）混合氣從噴油器到氣缸的流動時(shí)間；（2）發(fā)動機(jī)一個(gè)工作循環(huán)從進(jìn)氣到排氣所經(jīng)歷的時(shí)間；（3）燃燒過的氣體從氣缸到氧傳感器的流動時(shí)間；（4）氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間。其中主要是混合氣和燃燒氣體的流動時(shí)間。死時(shí)間的長短取決于發(fā)動機(jī)的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速。例如怠速時(shí)根據(jù)氧傳感器與發(fā)動機(jī)的距離長短，死時(shí)間可達(dá)1s以上不等的數(shù)值。而大負(fù)荷高轉(zhuǎn)速時(shí)死時(shí)間減為幾百毫秒。4.3閉環(huán)控制時(shí)λ的變化過程當(dāng)氧傳感器輸出電壓越過450mV左右的門檻值躍升或躍降時(shí)，ECU確認(rèn)混合氣成分發(fā)生了越過λ=1的改變。此時(shí)應(yīng)通過λ修正系數(shù)調(diào)整噴油量，使混合氣成分回頭往λ=1方向發(fā)展。當(dāng)然，最好是一步調(diào)整到混合氣λ=1并保持下去。由于以下四個(gè)原因而無法直接將混合氣調(diào)整到λ=1：（1）無法知道當(dāng)時(shí)與λ=1有多大偏差；（2）如果λ變動太快，汽車會突然加速或減速，使乘員感到不舒適；（3）發(fā)動機(jī)不可避免地有制造公差，使用過程中有磨損、漏氣，燃油成分會有波動，以及諸如此類會影響混合氣成分的未知因素；（4）由于死時(shí)間的存在，即使噴油量調(diào)整到了使混合氣λ=1，ECU也無法立即知道。λ的實(shí)際控制當(dāng)氧傳感器輸出電壓出現(xiàn)階躍時(shí)，λ修正系數(shù)：（1）先是立即突然改變一個(gè)確定的數(shù)值，以便盡可能快地發(fā)揮修正混合氣成分的作用，接著按照程序內(nèi)編制的匹配函數(shù)以一定的斜率繼續(xù)往同一方向慢慢地改變，直到混合氣成分回復(fù)到λ=1并超越之，氧傳感器輸出電壓再次發(fā)生階躍，λ修正系數(shù)跟著朝相反方向再次突然改變一個(gè)確定的值。（2）氧傳感器輸出電壓的躍